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多点高比特率无线红外通信的接收机设计和信道特性
IEEE 研究员 S. Jivkova 和 Mohsen Kavehrad
摘要：本文介绍了高速内部无线通信最有希望的候选者之一，即多点扩散配置（MSDC）。由于它使用光学红外介质进行数据传输，因此具有实现很高容量的内在潜力。模拟了 MSDC 中的信道特性，并分析了导致信道失真的原因。然后，得出用于创建实际上理想的频道的条件。结果表明，3 dB 的信道带宽可以扩展到 2 GHz 以上。出色的带宽以降低电源效率为代价。为了弥补这一点，提出了一种新颖的接收机光学前端设计，并对其性能进行了分析。利用全息光学元件的独特性能，由集中器和滤光器组成的常规光学前端被单个全息曲面镜所取代。这种全息光学元件的使用将信噪比提高了高达 18.5 dB。
关键词 全息光学组件，家庭通信系统，光学通信，无线局域网。
I. 介绍
最近，红外线（IR）无线短程通信的潜力越来越 受到人们的重视[1]。与无线电波和毫米波相反，由于它对人体健康无害，因此可以将 IR 推广为内部无线通信的 首选介质。与无线电相比，光无线链路有望提供更大的带 宽。不幸的是，自由空间的传播和嘈杂的条件引起了严重的问题。实际上，在[2]中报告了 1 Gb / s 的实验性视线（LOS）链路。但是，为了提供如此大的容量，通信单元直径必须减小到 0.5 m。
另一方面，非定向非 LOS 链路（称为漫射链路），它使用宽波束发射器和宽波束视场（FOV）接收器，并依靠天花板和/或墙壁对传输的光信号的反射[3]，支持在更大的小区内漫游。这些链接 提供一对多和多对一的通信，操作简便（它们不需要瞄准） 以及对发射光束部分受阻的鲁棒性。尽管具有这些优点， 但漫反射链接仍然存在严重的缺点-可以实现的比特率低（报告的最高速率：50 Mb / s [4]）。传输速度大大降低 的原因是差的功率效率和由于接收从房间表面经过多次反 射的光信号而导致的多径失真。
最近，有人提出了对经典扩散链路（称为准扩散链路） 的修改[5] – [9]，据信这是解决低比特率问题的方法。代替发射一个宽波束，利用了多波束发射机。它们发出多个 窄光束，它们照亮反射表面上的多个小区域（通常称为扩散点）。由几个窄 FOV 元件组成的复合接收器代替了单元素宽 FOV 接收器。首先，由发射机发射的窄波束大大 减少了与自由空间传播相关的路径损耗。其次，接收器元 件的窄 FOV 提供了降低环境光接收水平，将所需信号与 强环境光源分离，以及在不使用均衡器的情况下克服多径失真的手段。接收器由一个以上的元件组成，以便覆盖多个散射点，从而在某些发射器光束被阻挡的情况下确保不 间断的通信。另外，多元素接收机提供分集，从而允许使用有效的合并技术来合并来自不同接收机元件的输出信号。增加的系统复杂性是要摆脱 LOS 链接限制而必须付出的代价，从而保留高容量的潜力。尽管最近通过实验实现的
在 4-m 范围内达到 70 Mb / s 的比特率[10]并不比纯扩散链 路所支持的比特率高很多，但准扩散配置是一个新概念，尚待探索。这项工作的目的是提供一种关于在[5]中提出并在[11] – [14]中提出的多点扩散配置（MSDC）中潜在可实现的比特率的想法。MSDC 是典型的准扩散配置，使用发射几乎准直光束的多光束发射器和由七个分支组成的复合接收器，每个分支都有自己的光电探测器和光学前端。与其他同类相比在系统中，其优点是在房间天花板上形成规则的扩散点网格，从而在通信单元内尽可能均匀地分配光信号。在第二节中，将简要讨论这种配置的覆盖范围。在第三节中，推导了创建虚拟理想信道的条件，在第四节中，提出了一种新颖的接收器光学前端设计，该设计将补偿系统降低的功率效率，并对其性能进行了评估。
II. 通讯单元
扩散系统和准扩散系统的问题之一是相对较小的覆盖范围。在漫射配置中，光路损耗随着接收器和发射器之间的。距离而严重增加。尽管后者对于准扩散配置不是正确的， 但是通信单元的大小仍然受其他因素的限制。为了覆盖大 面积，发射器必须从水平线（图 1）以低仰角发射光束。 首先，这使系统对人员移动造成的发射机阴影敏感，这可 以通过将发射机放置在人的高度上来避免。其次，关于透射光束撞击反射表面的角度存在限制。漫反射和准漫反射 链接都依赖于反射表面的漫反射。当入射角增加到60度以上时，典型的办公室表面（天花板和墙壁）的反射模式 会由于朗伯反射镜而变差，并且在 70 度时会表现出强烈 的镜面反射[15]。覆盖非常大的房间的自然方法是使用多个发射机，从而形成多个通信单元。显然，最大水平尺寸一个通信单元的距离取决于发射器与反射面（天花板）之间的距离。
例如，像元直径为 8.6 m12.9 m 分别对应于发射机与天花板之间 2 m 和 3 m 的距离。MSDC 中，由于大多数房间为正方形或矩形，并且房间空间可以轻松自然地拆分为方形和矩形通信单元，因此 将单元的形状选择为正方形或矩形。一个人应该在通信单元和它所在的房间之间进行区分。
III. 多径失真
A. 漫射照明
人们可能会认为，当收窄接收机视场时，高阶反射造成的信道失真的作用变得不那么关键。但是，对于漫射链路，即使当接收器与 发射器之间的距离大于 2 m 时，即使是非常小的 FOV， 情况也并非如此[16]。为了估算高阶反射的贡献，在房间 转角附近约 3.7 m 处的一个接收器位置，针对两个不同的 接收器 FOV 值（70 度和 30 度）模拟了信道脉冲响应和幅 度响应，对于朗伯模式照明的情况（图 2）。高阶反射在 墙壁靠近接收器的小房间中具有更大的影响，最差的接收 器位置在房间角落附近。因此，选择一个通信单元以完全 覆盖一个尺寸为 6 m 6m 3 m 的小型办公室（该单元的最 大水平尺寸（对角房间）为 8.5 m m).同样，为了获 得更高阶的反射，假定所有墙壁，天花板和地板的反射率 都较高（天花板和墙壁为 0.7，地板为 0.3）。变送器位于 桌面高度的房间中心。Barry 等人开发的仿真模型。[17] 已用于我们的调查中。考虑到三阶反射。在大 FOV 的情况下，第二次和第三次反弹导致 3-dB 信道带宽（从 49.9 MHz 降低到 19.2 MHz）下降 2.5 倍，而下降 4.5 倍（从49.9 MHz 下降到 19.2 MHz）
因此，简单地缩小接收机 FOV 将不能解决多径失真的问题。显然，反射表面照明的全新概念是必要的。现在，在[5]中首次提出了多点扩散。在下文中，将显示出在 MSDC 中实际上可以创建理想的信道。
B. 均匀照明
为了创建实际上不失真的通道，必须将光信号功率集中 到反射表面的一小部分上。即使不考虑较高阶的反射，由 相对较大面积的反射器向接收器辐射的光信号的接收也会 导致信道带宽的显着减小。为了证明这一点，在相同数量 的信号功率（在 MSDC 中集中到单个扩散点中）均匀分 布的情况下，模拟了仅由一阶反射引起的信道脉冲和频率 响应（图 3）。接收者视场。如果改为由多点发射器发射的总光功率均匀地分布在房间内，则先前包含在一个扩散 点中的功率将覆盖一个等于 FOV 为 10 度的接收器分支看 到的面积的天花板区域。实际上，借助计算机生成的全息
图（CGH）可以轻松地创建反射面的均匀照明[18]。尽管接收此光功率所需的 FOV 非常小，但 3 dB 的信道带宽小于 300 MHz。这比将信号功率集中到直径为 5 厘米的扩散 点上大约少十倍，如下所示。
C. 点阵列照明
在[12]中讨论了 MSDC 和接收器 FOV 中的扩散点数量。 结论是最优配备有计算机生成的全息分束器的发射器发射的光束数量取决于制造精度，通常为100。关于接收器分支 FOV 的 自然考虑是为每个接收器分支提供信号功率，即至少每个接收器分支的视野内都有一个扩散点。如果是扩散点网格间距，并且是接收器分支看到的天花板上的圆形区域的半 径。请注意，FOV的限制与小区大小无关，只要接收器和发送器的位置几乎相同即可。 而且，它与点栅间距无关。当这种情况成立时，一个分支可以覆盖多个扩散点。这将导致通道从理想状态开始恶化。其他扩大的来源信道脉冲响应将是由于多次反射而引起的扩散点和延迟信 号的大小。为了估计每个这些源的贡献，针对接收器分支模拟了信道脉冲响应和幅度响应，该接收器分支接收来自 一个或两个扩散点（扩散点直径 5 cm）的信号功率。为 了确保仅从一个扩散点接收信号，我们需要减小接收器分支的 FOV（图 4），在哪里是扩散点直径。两种情况下的脉冲和频率响应如图 5 所示。多次反射后接收到的相对光功率要比朗伯型照明 的情况小得多。因此，与漫射配置相比，在 MSDC 中由于高阶反射导致的 3-dB 信道带宽的降低要严重得多。注意，我们考虑了最差的接收器位置，即靠近房间角落。由于总的接收器 FOV 很小，除非接收器非常靠近墙壁，否则任何接收器分支都不会看到墙壁，也不会接收二阶反射。
这里我们应该指出，尽管在模拟中假设了一个特定的房间，但是只要根据（2）和（3）设计了接收机，基于模拟 结果得出的结论是通用且有效的。这是由于这样一个事实，即重要的是接收器 FOV 与产生扩散点阵列的发射光束的仰角之间的匹配。换句话说，上面得出的 FOV1 和 FOV2 的值不会随通信单元的大小而变化。在更高通信单元中，相同的全息分束器将创建相同的光斑阵列，唯一的区别是 光斑栅格间距将更大。另一方面，由于单元高度增加，接 收器分支 FOV 将覆盖天花板上的较大区域。结果，位于接收器分支 FOV 内的扩散点的数量将不会改变。
在本文中，假定发射机位于通信单元的中心，该单元与一个较小的房间重合，指向上方。当发射机从房间中心移开时，结果是房间和通信单元之间不匹配。发射器的 照明图案的一部分将照亮房间的墙壁而不是天花板，而天花板的一部分将不扩散。这是不希望的，因为一些用户将仅接收经过多次反射的极弱信号。这等效于减小通信小区的大小。如果由于某种原因发射机不应该位于通信小区中心，则应使用 CGH 分束器的不同设计，这样它就可以将 点阵列离轴投影（相对于非对称）。
IV. 接收器光学前端
在这两种情况下，接收器元件的窄 FOV 都会显着降低 接收信号功率。尽管光信号功率集中在小面积扩散点上， 但眼睛安全要求[19]限制了可以通过单个扩散点发射的功 率。链路的低功率效率意味着在接收器处使用了光集中器。
就环境光而言，使用狭窄的 FOV 并应用有效的组合技术，可以轻松地拒绝强大的环境光源，例如灯。[20]但是，即使是弱散射的背景光也比光信号要强得多。为了提高光学 SNR，需要可以有效地抑制光学噪声的光学滤波器。传统的接收器光学子系统由透镜集中器和滤光器组成。与传统系统相比，HOE 的主要优点是多功能，其物理配 置独立，重量轻，成本低等。不同类型的全息镜（即球形 基板上的全息球面镜（HSM），HSM 上的 HSM）的性能。平板和全息抛物镜（HPM）在平板上进行了仿真。给出 了结果，并讨论了反射镜作为接收器光学前端的适用性。
如前所述，HOE 与其物理配置无关，即，平坦的 HOE 可以表现出像常规曲面镜一样的聚光功能。仿真结果证实 了这一点，表明在球形基板[21]，[22]上制造的 HSM 与在 平面基板上制造的 HSM 之间的性能差异不明显。因此，为了防止冗余，我们只介绍在平面基板上制造的球面和抛 物面镜的结果，因为使用平面基板而不是弯曲的基板会大大简化制造过程。
A. 全息镜
全息镜实际上是反射全息图[23]。如果两个记录波都是球形的，则所得全息图的行为就像一个球形镜。如果在记录时使用一个平面和一个球面波，则全息图具有抛物面镜 的特性。在模拟中，假设全息图的以下参数：记录波长为 850 nm，记录介质的厚度为 100 m，折射率为 1.5，折射
率光栅的振幅为 0.025 和全息图直径为 3 cm。当在单个系 统中与光电探测器结合使用时。[图 6（b）]中，全息镜将像传统的曲面镜一样执行聚光功能。此外，由于其性质，它将使来自非常窄的光谱范围的光向检测器衍射，从而也执行滤光功能。光电检测器的光敏区域通过检测器电容反向连接到 接收机频率带宽。总是在接收光功率的量和光电检测器的 尺寸之间寻求折衷。因此，如果两个光学前端具有相似的性能，则优先使用较小的光电探测器。全息图的角度灵敏度给实现大于几度的 FOV 带来了困难。通过用具有与全息介质相同的折射率的电介质填充全 息图和检测器之间的间隔，可以缓解该问题。此外，它减少了检测器的耦合损耗，并且也便于系统组装。
B. 信号有效面积
接收信号辐射通量由全息图衍射效率确定，并取决于接收角和信号波长。
其中Es是信号辐照度，Aseff是接收器的信号有效面积。积分取自全息图的表面积。我们将接收器的截止角 定义为信号有效面积变为零的角度。对于正在研究的两种类 型的全息镜，针对不同的光电探测器尺寸值，信号有效面积 与入射角的关系如图 7 所示。在图表上仅比较达到 12 和 7 度 的截止角，即符合条件（2）和（3）的系统。由于 HOE 的角 度和光谱选择性，HOE 中的光学像差比常规光学器件中的光学像差更强。达到较大 FOV 的系统会随着入射角的增加而显 着降低信号接收，特别是在 HPM 的情况下。在 HSM 的情况下， 扩大光电探测器的范围可使系统的角响应变平，并首先增加 接收到的光功率。但是，由于光电探测器引起的阴影， HSM 探测器尺寸的进一步增加以及 HPM 的任何增大都会导致在接近法线入射角的角度减小接收光功率。
为了判断接收器光学前端的质量，不仅必须考虑其集中能力，而且还必须考虑其滤波能力。光学前端质量 的一个简单标准是电气性能的提高SNR 与裸露的光电检测器相比。当散粒噪声占主导时，SNR由接收到的光信号和背景辐射通量确定。
V.结论
如今，无线局域网正在追求越来越高的传输速度。本研究涉及高速室内无线通信的最有希
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资料编号：[238252]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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